太阳能浴室水温水位控制系统设计(编辑修改稿)

太阳能浴室水温水位控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

系统对传感器的要求是可以把将温度信号转化为电流信号，测量的水温上限为 100℃，权衡之下 Pt100 电阻传感器是 非常合适的。 Pt100 铂热电阻简称为： Pt100 铂电阻。 Pt100 传感器的精度高，热补偿性较好。 其阻值会随着温度的变化而改变。 Pt 后的 100 表示它在 0℃时阻值为 100Ω，它的工作原理是当 Pt100在 0℃时阻值为 100Ω，在 100℃时它的阻值约为 .它的阻值会随着温度的上升而匀速增长。 Pt100 的测温范围是 200℃～ +420℃，经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成 4～20mA 直流信号。 、 可控硅加热装置 本系统采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为 4～ 20mA 标准电流信号 ，其移相触发角与输入控制电流成正比。 输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现 水箱 温度的连续控制。 、 系统的软件设计 、 PID 控制算法 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。 PID 控制在工业领域的应用已经有很多年了，现在依然广泛地被应用。 P、 I、D 各有自己的长处和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取 PID 值，就可以获得较高的控制质量。 人们在应用的过程中积累了许多的经验，对 PID 的研究现在已经达到了一个比较 高的程度。 、 PID 控制算法的特点 比例（ P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 若产生偏差，控制器就发生作用调节控制输出，使被控量向减小偏差的方向变化。 偏差减小的速度由比例系数 Kp 来决定， Kp 越大偏差减小的越快。 但这样会引起振荡，特别是在迟滞环节比较大的时候，比例系数 Kp 减小，振荡发生的可能性就会减小，但同时也会导致调节速度变慢。 比例控制的缺点是不能消除稳态误差，必须要有积分控制来辅助。 积分（ I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的 积分成正比关系。 为了消除控制系统的稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 积分项会随着时间的增加而增大。 因此，就算误差很小，积分项也会慢慢变大，由它推动控制器的输出增大，使稳态误差慢慢减小至零。 所以，比例 — 积分 (PI) 控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。 微分（ D）控制 在微分控制下，控制器的输出的微分增加了，输入误差信号的微分同时也会增加。 而自动控制系统在对于误差的控制来说，会出现别的不必要的问题，比如波动，更严重的会失稳。 这 12 就是说，在控制器中仅引入“ 比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，但是加入的微分项却能够避免较大的误差出现，因为它可以预测误差变化的方向。 但是微分控制会放大高频噪声 , 降低系统的信噪比 ,导致系统抑制干扰的能力下降，也就是说微分控制不能消除余差。 、 PID 控制算法原理 PID 控制本质上是一个二阶线性控制器 , 通过调整比例 ( P)、积分 ( I)和微分 ( D)三个参数 , 使得大多数工业控制系统获得良好的闭环控制性能。 PID 控制器的理想计算公式为 : ()： dt tdeTdtteTteKtu dip )()(1)()( 0  () 公式 ()中 : u(t)为控制器的输出。 e(t)为控制器的输入 (常常是设定值与被控量之差 , 即e(t)=r(t)c(t))。 Kp、 Ti、 Td 分别为控制器的比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。 设 u(k)为第 k 次采样时刻控制器的输出值 (采样周期为 T),用一阶向后差分代替微分，用矩形法 数值积分代替连续积分，将上式进行离散化处理 ,可得离散的 PID 计算公式 ： )]1()([)()()]1()([)()()(00kekeKjeKkeKkekeTTjeTTkeKkukjdipkjdip () 式 ()为位置式 PID控制算法 , 其当前采样时刻的输出与过去的状态有关 , 计算时要对 e(k)进行累加 , 运算量大 , 因此实际应用中一般采用增量 PID 控制算法。 由式 ()可得 : )2()1()()]1()([)()()1()()(kCekBekAekekeKkeKkeKkukukudip () )()1()( kukuku  () 其中 TTKCTTKBTTTTKA dpdpdip  )。 21()。 1( 式 ()、 ()是增量 PID 算法的计算公式 , 系统的采样周期 T 选定后 , 一旦确定了 Kp、 Ti、Td, 只要使用前后 3 次测量的温 度偏差值即可由式 ()、 ()求出控制量。 、 PID 算法程序实现 13 在 S7200PLC 中 PID 功能是通过 PID 指令功能块来实现的。 通过定时 (按照采样时间 T)执行 PID 功能块 , 按照 PID 运算规律 , 根据当时的给定、比例 积分 微分数据 , 计算出控制量。 、 PID 在 PLC 中的回路指令 西门子 S7200 系列 PLC 中使用的 PID 回路指令，见表 3。 表 3 PID 回路指令 名称 PID 运算 指令格式 PID 指令表格式 PID TBL,LOOP 梯形图 PID 回路在 PLC 中的地址分配情况如表 4 所示。 表 4 PID 回路在 PLC 中的地址分配情况 、 PID 参数整定 调节器参数的整定，是自动调节系统中相当重要的一个问题。 PID 参数整定方法就是确定调节器的比例系数 P、积分时间 Ti 和和微分时间 Td，一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。 目前，应用最多的 还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。 、 PID 算法的数字化处理 如果我们想要计算出输出值，就必须把连续算式转化成周期采样的偏差算式。 只有这样才偏移地址 名称 格式 类型 说明 0 过程变量（ PVn） 实数 输入 ~ 之间 4 给定值（ SPn） 实数 输入 ~ 之间 8 输出值（ Mn） 实数 输入 /输出 ~ 之间 12 增益（ Kc 实数 输入 比例常数，可正可负 16 采样时间（ Ts） 实数 输入 单位为 s，正数 20 采样时间（ Ti） 实数 输入 单位为 min，正数 24 微分时间（ Td） 实数 输入 单位为 min，正数 28 积分项前值（ MX） 实数 输入 /输出 必须在 ~ 之间 32 过程变量前值（ PVn1） 实数 输入 /输出 必须在 ~ 之间 14 能保证计算控制式能被计算机识别并且处理。 数字计算机处理的算式如 ()所示 ： Mn = Kc*en +Ki*∑ex+ MX + Kd*(enen1) () 输出 = 比 例 项 + 积 分 项 + 微 分 项 其中： Mn 在采样时刻 n，从 PID 回路输出的需要计算的项 Kc 增益 en 采样时刻 n 回路的偏差值 en1 回路的偏差值的前一个值 ex 采样时刻 x 的回路偏差值 Ki 积分项的比例常数 Mintial 回路输出的初始值 Kd 微分项的比例常数 上面的式子表明，∑ ex 就是表示从开始到即时的采样周期里面误差 项的和的函数，也就是“积分项”；“微分项”就是所求的采样函数以及其前一次的采样函数；而“比例项”就是所求的当前的采样函数。 在计算机中是没有必要保存所有的误差项的。 从第一次采样开始，每出现一个偏差采样，计算机就不得不计算其相对的输出值，但我们只需要计算机记录偏差项的前一个值以及积分项的前一个值。 因此，我们用一个算式来解决计算机算数的重复性。 算式 如 ()所示 ： Mn =Kc*en + Ki*en +Minitial + Kd*(EnEn1) () 输出 = 比例项 + 积分项 + 微分项 其中： Mn 在第 n 采样时刻，需要计算的 PID 回路的输出 Kc 比例 积分 微分控制回路的增益 En 采样时刻 n 回路的偏差值 En1 回路的偏差值的起一个值 Ki 比例系数（积分） MX 在第 n1 采样时刻积分项的值 Kd 比例系数（微分） 其实， CPU 最终使用的计算比例 积分 微分回路中输出项的算式是另一个改进 式。 CPU 所用的算式是 ()： Mn = MPn + MIn + MDn () PID 回路输出 = 比例项 + 积分项 + 微分项 其中： Mn 第 n 采样的时候的需要计算的数值 Min 第 n 采集样本时候回路的积分项的数值 MDn。